基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室微氣候監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫瑞娟黨曉圓楊佳義

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030800；2.重慶移通學(xué)院，重慶 401520)

引言

物聯(lián)網(wǎng)的興起與發(fā)展只有短短30a，但是“物物相連”的概念與關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用卻已遍布各行各業(yè)。隨著信息農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的不斷升級(jí)，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也逐漸升溫。在最近的2021(天津)中國(guó)工程農(nóng)業(yè)傳感器國(guó)際高峰論壇上，羅錫文院士、趙春江院士、李德毅院士等國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者就AI技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算等先端科技在農(nóng)業(yè)上的研究與應(yīng)用發(fā)表了高水平報(bào)告，再次突出“物物相連”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要作用。

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在大田農(nóng)業(yè)中的作用主要表現(xiàn)在對(duì)土壤環(huán)境、肥料情況和作物長(zhǎng)勢(shì)的監(jiān)控中，通過(guò)相應(yīng)的傳感器和圖像成型技術(shù)傳回大田及其作物的各項(xiàng)參數(shù)，在后臺(tái)服務(wù)器中進(jìn)行觀測(cè)，極大地方便了觀測(cè)者和研究者。但是，溫室是不同于大田生產(chǎn)的一種人工干預(yù)較多的農(nóng)業(yè)作業(yè)模式，其內(nèi)部的土壤環(huán)境、微氣候、作物長(zhǎng)勢(shì)等都可以人為改變或干預(yù)，從而影響最終的作物產(chǎn)出結(jié)果。特別是植物工廠概念提出并實(shí)施以后，溫室已經(jīng)成為植物工廠的最佳廠房，其微氣候的變化更是直接關(guān)聯(lián)產(chǎn)出效率和效益。

本文對(duì)溫室中微氣候(主要為光照強(qiáng)度、溫度、濕度、CO2濃度)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合山西的地理特色進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 溫室微氣候概述

溫室誕生較為久遠(yuǎn)，縱觀其發(fā)展可以分成2個(gè)大階段。第1個(gè)階段是從溫室產(chǎn)生到20世紀(jì)70年代，歐洲國(guó)家擁有世界上絕大多數(shù)的溫室，荷蘭的玻璃溫室面積更是超過(guò)100萬(wàn)m2；第2階段為20世紀(jì)70年代至今，溫室面積急劇增加，尤其是我國(guó)溫室已占世界溫室面積的50%以上，成為了世界上最大溫室蔬菜產(chǎn)地。

溫室的微氣候隨著溫室種類(lèi)、材料的發(fā)展變化也非常大。微氣候中的光照強(qiáng)度受溫室材料的透光性、季節(jié)性日照時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度的影響較大，人為可控性較小。溫室內(nèi)溫度受季節(jié)和光照強(qiáng)度影響較大，但是可以人為覆蓋保溫層、增加供熱來(lái)調(diào)節(jié)。微氣候中的濕度隨著光照強(qiáng)度、室內(nèi)溫度、植物呼吸作用、土壤含水量的變化而復(fù)雜變化。植物的氣肥CO2則可以人為增加或減少。此外，還有溫室中的通風(fēng)量，其風(fēng)速、風(fēng)力變化雖然微弱，但也屬于微氣候的一個(gè)參數(shù)。可見(jiàn)，溫室微氣候研究涉及學(xué)科多、機(jī)理復(fù)雜，各個(gè)參數(shù)間既有耦合情況又有獨(dú)立變化的可能，建立數(shù)學(xué)模型較難。

為了更好地調(diào)控溫室微氣候，使之實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化，學(xué)者們引入工程技術(shù)——物聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行參數(shù)的感知和觀測(cè)，最大限度地將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路

由于常規(guī)化布控溫濕度和二氧化碳傳感器所需節(jié)點(diǎn)較多，網(wǎng)關(guān)設(shè)置較為復(fù)雜，對(duì)溫室的供電能力有一定的要求，因此本設(shè)計(jì)受張慶雷的可移動(dòng)式溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟發(fā)，將溫濕度、CO2濃度傳感器集成在一個(gè)履帶巡檢機(jī)器人上，其探測(cè)端可以自由伸縮。在溫室中布控少量網(wǎng)關(guān)，通過(guò)LoRa通信技術(shù)傳輸感應(yīng)數(shù)據(jù)，最后傳送至后臺(tái)服務(wù)器。溫室內(nèi)的路徑較為簡(jiǎn)單，巡檢機(jī)器人可以根據(jù)輔助節(jié)點(diǎn)法規(guī)劃行走路線，機(jī)身裝有專用高清攝像頭完成植物圖像的記錄，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)傳到后臺(tái)服務(wù)器。至此，完成巡檢任務(wù)。具體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

巡檢結(jié)束后，后臺(tái)服務(wù)器通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)完成微氣候中各項(xiàng)參數(shù)的分析，再輸出給自動(dòng)控制裝置，從而實(shí)現(xiàn)溫室微氣候的自動(dòng)化調(diào)節(jié)過(guò)程。設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)

3 集成傳感器設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度傳感器的選擇

對(duì)于不同的溫室作物可以選擇精度不同的溫濕度傳感器。溫濕度傳感器最好支持熱拔插更換，方便檢修和維護(hù)，也便于不同的溫室采用。高端的溫濕度傳感器可以選擇IRTT201S-46紅外溫度變送器(僅限于測(cè)溫)，其工作溫度為60℃，工作電流4～20mA，可以直接接在220V交流電源上。主要優(yōu)點(diǎn)在于紅外非接觸式測(cè)溫，毫秒級(jí)響應(yīng)和連續(xù)測(cè)溫的性能。

較為大眾化的溫濕度傳感器為DHT11，市場(chǎng)價(jià)格偏低，響應(yīng)速度為秒級(jí)，直流供電，測(cè)量精度為±5%，誤差范圍較大。對(duì)于溫濕度要求不高的溫室，DHT11仍為主流選擇。

較新的溫濕度傳感器還有HTU21D，接在直流電源上使用，溫度測(cè)量范圍較廣，特別是可以測(cè)量-40℃及以上的環(huán)境溫度，適合寒冷地區(qū)的溫室使用。其濕度測(cè)量范圍在0～100%RH，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。具體接線方式如圖3所示。

圖3 HTU21D接入電源示意圖

3.2 光照度傳感器的選擇

光照度，亦稱照度，單位符號(hào)為“Lux”(勒克斯，簡(jiǎn)稱勒)。檢測(cè)光照度的傳感器是將照度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。市場(chǎng)上常見(jiàn)的光照度傳感器為JXCT-3001-GZD，其精準(zhǔn)度為±5%(25℃)，工作環(huán)境為0～10V/20mA，有基礎(chǔ)版的RS485通訊模式，還有本設(shè)計(jì)采用的LoRa通訊模式，無(wú)線傳輸信號(hào)，搭載機(jī)器人身上使用較為方便。但是其響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)在微風(fēng)或無(wú)風(fēng)環(huán)境中小于15s，不能立即得出測(cè)量值，這就要求巡檢機(jī)器人行進(jìn)速度較為緩慢，在輔助節(jié)點(diǎn)發(fā)出暫停命令后，進(jìn)行光照度的測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸。

表1 光照度傳感器的基本通信參數(shù)

表2 數(shù)據(jù)幀的定義

3.3 CO2濃度傳感器的選擇

CO2是光合作用暗反應(yīng)階段中酶促反應(yīng)的主要原料，在該階段CO2被還原為糖，因而其濃度可以決定農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)、抗逆性、產(chǎn)量等。但對(duì)于溫室中的工作人員來(lái)說(shuō)，CO2含量的高低會(huì)關(guān)系到健康，這是較為矛盾的問(wèn)題。如果在日常維護(hù)中使用本設(shè)計(jì)的微氣候監(jiān)控系統(tǒng)，由機(jī)器人代為工作，可以有效緩解此矛盾。

市場(chǎng)上的CO2傳感器分為紅外CO2傳感器、催化CO2傳感器和熱傳導(dǎo)CO2傳感器，其工作機(jī)理有所不同。本設(shè)計(jì)從通訊模式統(tǒng)一化的角度出發(fā)，選擇龍騰偉業(yè)生產(chǎn)的LoRa通訊的CO2傳感器。其測(cè)量方法為NDIR雙通道測(cè)量，測(cè)量范圍0～5000PPM，精度在±5%范圍內(nèi)，分辨率為1PPM，可以滿足測(cè)量需求。且供電方式為直流12～24V，采集頻率可設(shè)定，最低為1次·min-1。

4 圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖像采集系統(tǒng)也可以安裝在巡檢機(jī)器人上，外觀上可以作為其“眼睛”。主要由高清攝像機(jī)和嵌入式系統(tǒng)組成，并配有大容量存儲(chǔ)器，可將作物長(zhǎng)勢(shì)拍攝為圖片自動(dòng)存儲(chǔ)，以備后期研究使用。同時(shí)具備遠(yuǎn)距離圖像傳輸供能，可供工作人員在后臺(tái)實(shí)時(shí)觀看。

目前數(shù)碼相機(jī)的核心器件主流為CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，二者圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換原理相同，信號(hào)的讀出過(guò)程不同。CCD的信號(hào)輸出一致性非常好；CMOS的信號(hào)輸出一致性較差。但是CMOS的每個(gè)像元中放大器的帶寬較低，從而降低了芯片的功耗。而CMOS的放大器不一致性引發(fā)的固定噪聲，使其比CDD又略顯不足。

本設(shè)計(jì)為了滿足采樣速度和清晰度，采用帶有CMOS傳感器的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行圖像采集。具體為銳爾威視的RER-USBFHD08S，其有130萬(wàn)像素和1920×1080的分辨率，支持高速拍攝，幀速可達(dá)260fps，支持多種操作系統(tǒng)，亦可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。安裝在巡檢機(jī)器人頂部的可伸縮、二自由度的支撐架上。采集到的圖像信息可暫存在高速存儲(chǔ)卡上，也可以通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)傳回后臺(tái)服務(wù)器。攝像頭實(shí)物如圖4所示。

后臺(tái)先將圖片進(jìn)行降噪處理，以降低環(huán)境帶來(lái)的隨機(jī)噪聲；再使用云點(diǎn)數(shù)據(jù)算法等區(qū)分雜草、病蟲(chóng)害、農(nóng)作物以及農(nóng)作物的成熟度。

圖4 銳爾威視攝像頭實(shí)物

5 系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的網(wǎng)關(guān)層包含2個(gè)主要部分，嵌入式系統(tǒng)，由單片機(jī)、STM32、LoRa通訊模塊和485集線器構(gòu)成，STM32為核心器件。該部分主要負(fù)責(zé)傳感器模塊和遠(yuǎn)程后臺(tái)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交流，以及自動(dòng)裝置的控制；巡檢機(jī)器人的定位導(dǎo)航，作為輔助節(jié)點(diǎn)布在溫室中。2部分網(wǎng)關(guān)硬件技術(shù)都較為成熟，而無(wú)線傳輸方式是本設(shè)計(jì)的特色所在。

本設(shè)計(jì)中采用LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)。其基于擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳送，本質(zhì)是LPWAN通信技術(shù)中的一種。由于其傳送數(shù)據(jù)距離遠(yuǎn)、功耗低、容量大、傳輸速度快、可以向前糾錯(cuò)等優(yōu)點(diǎn)而備受物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)者的喜愛(ài)。LoRa主要工作頻率在ISM頻段，包括433MHz、868MHz、915MHz等。LoRa網(wǎng)絡(luò)由終端設(shè)備(上述傳感器中均置有LoRa模塊)、網(wǎng)關(guān)、Server和云服務(wù)組成，其數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，因而既可以作為采集網(wǎng)關(guān)，也可以作為命令網(wǎng)關(guān)，真正一機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)視與控制2大功能。

值得注意的是，在LoRa通訊網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)器是數(shù)據(jù)接收與處理的核心。因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)與專用網(wǎng)關(guān)不實(shí)行一對(duì)一關(guān)聯(lián)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常由多個(gè)網(wǎng)關(guān)收到。網(wǎng)關(guān)將收到的所有數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，也會(huì)造成數(shù)據(jù)的大量冗余。

圖5 控制網(wǎng)關(guān)

6 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該部分主要由網(wǎng)關(guān)發(fā)出命令信號(hào)，各個(gè)自動(dòng)裝置在接收到信號(hào)后進(jìn)行工作。由于LoRa通訊傳輸速率較高、精準(zhǔn)度高，自動(dòng)裝置完全可以在無(wú)人干預(yù)的情況下各司其職。

增濕裝置分為自動(dòng)控制回路和遠(yuǎn)程人工控制回路。當(dāng)巡檢機(jī)器人搭載的濕度傳感器預(yù)警濕度過(guò)低時(shí)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)和副武器的數(shù)據(jù)處理，下達(dá)自動(dòng)噴霧命令，K1閉合，電機(jī)工作，泵水噴霧。也可以由后臺(tái)工作人員下達(dá)命令，向溫室中噴霧，此時(shí)K11閉合，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程澆灌。諸如此類(lèi)的還有CO2發(fā)生器、補(bǔ)光燈、遮光簾和通風(fēng)機(jī)等裝置。所有自動(dòng)控制裝置均需安裝LoRa通訊模塊和微處理器進(jìn)行命令的接受與執(zhí)行。

圖6 自動(dòng)增濕裝置電控回路

7 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主干，以LoRa通訊技術(shù)為枝干，探討了溫室中微氣候的構(gòu)成因素，主要為溫濕度、光照度、二氧化碳濃度。在此基礎(chǔ)上增加了對(duì)溫室作物的觀測(cè)，將其作為微氣候的影響與判別依據(jù)進(jìn)行研究，分別設(shè)計(jì)選用了不同的傳感模塊作為數(shù)據(jù)采集的感知層，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中“物物相連”的智慧化管理。溫室微氣候的監(jiān)控工作，對(duì)促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提升溫室產(chǎn)出效益都有著十分重要的意義。